2018 год, №3

Содержание выпуска
Методы разработки драйверов графической подсистемы
И.А. Ефремов, К.А. Мамросенко, В.Н. Решетников
Стр. 425 — 429
В статье описаны проблемы разработки ПО для задач взаимодействия систем на кристалле и ОС Linux. Архитектурой ОС предусмотрено создание драйвера – компонента, обеспечивающего прием и передачу данных устройства с использованием программного интерфейса. Разработка драйверов для ОС с открытым исходным кодом затрудняется из-за непрерывных изменений функций и структуры ядра. Описаны структура и составные части графической подсистемы, представляющей собой набор компонентов, находящихся в разных адресных пространствах доступа виртуальной памяти ОС и взаимодействующих между собой, в том числе посредством интерфейса системных вызовов. Программирование графического ядра выполняется при помощи заполнения буфера команд: для каждого приложения создается контекст графического ядра, содержащий свой командный буфер и все необходимые данные, используемые графическим ядром для отрисовки/расчетов, – координаты, векторы нормали, цвета, текстуры. Существуют несколько подходов к установке графического режима, однако наиболее оправданным решением является применение модуля KMS (Kernel Mode Setting), который используется ключевыми производителями микропроцессоров и графических карт. Для полной реализации возможностей графического ядра необходимо обеспечить взаимодействие модулей ядра ОС и пространства пользователя посредством создания собственных системных вызовов, регламентирующих низкоуровневую работу с устройством. Применение платформ прототипирования на основе FPGA-матриц позволяет проверить работоспособность ПО, получить некоторые характеристики производительности и выявить ошибки в системе на кристалле на ранних стадиях проектирования. Отладка модулей ядра занимает значительное время в силу ограничений, накладываемых со стороны как платформы для прототипирования, так и ОС. Кроме того, ошибки, возникающие в коде ядра, трудновоспроизводимы, что также затрудняет отладку модулей ядра. В статье рассмотрены подходы к реализации KMS-модуля и компонентов графической подсистемы ОС Linux, которые позволяют обеспечить корректное взаимодействие ОС и контроллера вывода на экран системы на кристалле.
Исследование сжатия растровых изображений с использованием искусственных нейронных сетей
А.А. Генов, К.Д. Русаков, А.А. Моисеев, В.В. Осипов
Стр. 430 — 434
Современные темпы роста объемов информации, хранящихся на жестких дисках, передаваемых по сети Интернет и локальным сетям предприятий, обусловили актуальность задачи сжатия, передачи и хранения данных. Большая часть передаваемых по сети данных представлена в виде мультимедийного контента. Сегодня все более популярными становятся алгоритмы сжатия визуальной информации, основанные на нейросетевом аппарате. В отличие от классических алгоритмов, основанных на устранении избыточности, данные алгоритмы базируются на искусственных нейронных сетях. Направление актуально в связи с развитием математических алгоритмов обучения сети, что в дальнейшем позволит улучшить существующие методы сжатия. Проведенный анализ публикаций показал, что в настоящее время конкретная информация о влиянии архитектуры искусственной нейронной сети на процесс обучения и качество их работы на реальном мультимедийном контенте отсутствует. Актуальна задача выбора топологии сети, наиболее подходящей для сжатия визуальной информации. Целью авторов статьи является описание возможностей одного из типов искусственных нейронных сетей – многослойного персептрона – в области сжатия и восстановления изображений произвольного вида. Рассматриваются топологии искусственных нейронных сетей и алгоритмы их обучения, анализируется эффективность работы этих сетей. Описывается архитектура бутылочного горлышка, наиболее часто используемая при решении задачи сжатия и восстановления изображений. Приводится один из способов кодирования и декодирования данных, полученных при работе сетей. В статье описывается проведенный вычислительный эксперимент, приведены полученные результаты. Результаты показали, что использование многослойного персептрона с входным вектором свыше восьми значений менее эффективно. В итоге предложена наиболее подходящая архитектура сети, которую можно использовать на практике.
Принципы построения программного комплекса для теплового проектирования электронных систем
А.Г. Мадера, П.И. Кандалов
Стр. 435 — 438
В работе рассматриваются концептуальные вопросы разработки программного комплекса для теплового проектирования сложных электронных систем и проведения многовариантного компьютерного моделирования нестационарных, нелинейных, детерминированных и стохастических тепловых процессов и температурных полей в электронных системах любой сложности и при воздействии дестабилизирующих факторов. Многофункциональный программный комплекс должен обеспечивать графическое представление исходных данных и результатов вычислений температурных распределений и тепловых характеристик в виде таблиц, графиков, диаграмм и т.п. Вычислительные алгоритмы, реализующие математические модели программного комплекса, должны быть реализованы и оптимизированы как для пользовательских компьютеров, так и для суперкомпьютерных систем путем их распараллеливания с помощью программных интерфейсов Open Multi-Processing (OpenMP) и Message Passing Interface (MPI). Основным языком программирования разрабатываемого комплекса является язык C#, обеспечивающий кроссплатформенность, скорость и удобство разработки, поддержку выборочной оптимизации на языках C++ и C. Средой разработки служит Microsoft Visual Studio под управляемой ОС Windows, при этом адаптация под другие платформы обеспечивается кроссплатформенной средой исполнения Mono. Рассмотрена архитектура проектируемого программного комплекса, которая представляет собой трехуровневую модель, включающую уровни представления данных, доменную модель и уровень данных, позволяющих оптимизировать программный комплекс, расширять его функциональные возможности и адаптировать под требуемые плат- формы.
Высокоуровневая архитектура тренажерно-обучающих систем сложных технических комплексов
А.В. Родителев, А.М. Гиацинтов
Стр. 439 — 443
В статье рассмотрена архитектура тренажерно-обучающей системы на примере прототипа авиационного тренажера. Подсистема визуализации тренажерно-обучающей системы обеспечивает отображение результатов моделирования внешней среды и объекта управления с помощью устройств отображения информации. Она должна обеспечивать воспроизведение созданной виртуальной сцены с достаточно подробным содержанием, позволяющим операторам успешно выполнять поставленные задачи. Приведены требования к тренажерно-обучающей системе сложных технических комплексов, в том числе предъявляемые к ее подсистеме визуализации. Разработанная архитектура обеспечивает унификацию способов сопряжения с оборудованием, использование тренажерно-обучающей системы с различными устройствами ввода информации, а также позволяет избежать высокой связанности компонентов. Каждое устройство, как правило, имеет свои особенности: специализированное ПО, закрытые протоколы обмена информацией, разъемы различных стандартов. Разработанная система расширений (плагинов) позволяет учитывать особенности устройств без модификации основного модуля и других подсистем. Для работы с плагинами был создан управляющий интерфейс. Плагины не зависят друг от друга и могут быть добавлены или удалены без нарушения целостности работы системы. В зависимости от вычислительной нагрузки обработку данных тренажерно-обучающей системы можно реализовать на одном аппаратном комплексе или для каждой подсистемы использовать отдельный. Любая подсистема может быть создана независимыми разработчиками и представлена отдельными программными комплексами. Предусмотрена возможность работы проектируемых подсистем на аппаратных комплексах с различными архитектурами процессоров, способами хранения байтов в памяти (big-endian или little-endian) и на различных операционных системах. Описан алгоритм преобразования координат, полученных от математической модели, в систему координат подсистемы визуализации.
Адекватные междисциплинарные модели в прогнозировании временных рядов статистических данных
Б.М. Пранов
Стр. 444 — 447
В статистических исследованиях для моделирования и прогнозирования временных рядов обычно используют многофакторные линейные модели. Область их применения весьма обширна. Они достаточно эффективны в ситуации, когда множество точек, изображающих исследуемые объекты в многомерном пространстве параметров, располагается вблизи некоторого линейного подпространства (или его сдвига относительно начала координат). Этот эффект легко обнаруживается с помощью факторного анализа. Если же такое подпространство (линейное множество) отсутствует, для построения более точных моделей применяют нелинейные зависимости. В экономике для описания зависимости прибыли предприятия от числа работников и стоимости основных средств используют функцию Кобба–Дугласа. Оказывается, если рассматривать пожары и другие явления социума как своеобразную его «продукцию», то функция Кобба–Дугласа с высокой степенью точности позволяет аппроксимировать соответствующие временные ряды. В результате получается целый ряд интересных моделей в новых предметных областях. По итогам расчетов выяснилось, что временной ряд общего числа пожаров на территории РФ очень хорошо аппроксимируется функцией Кобба–Дугласа, а прогностические значения, рассчитанные по таким моделям, весьма близки к реальным. Аналогичная адекватная аппроксимация временных рядов общего числа пожаров пригодна для значительного количества европейских стран, а также США. Такое моделирование применимо, в частности, и в туристической отрасли – в статье рассматриваются модели полного дохода гостиниц в зависимости от числа работников и величины основных фондов.
Моделирование восприятия мозгом анаграммно искаженного текста
З.Д. Усманов
Стр. 448 — 454
Объектом исследования являются тексты естественных языков, слова которых обессмыслены случайными перестановками букв. Рассматривается способность человеческого мозга безошибочно распознавать смысл непривычной продукции. В статье предлагается математическая модель объяснения того, каким образом мозг справляется с решением этой задачи в случаях, когда a) первая, б) последняя, в) первая и последняя буквы слова остаются на своих местах, а все прочие переставляются произвольным образом, и, наконец, в самом общем случае г), когда ни одна буква слова не фиксируется и все они в пределах слова могут располагаться в любом порядке. Объяснение основывается на понятии в широком смысле анаграммы слова как совокупности его букв, расставленных в какой-либо последовательности, а также на понятии прообраза анаграммы, в роли которой выступает само слово. В упрощенной математической модели предполагается, что мозг воспринимает каждую анаграмму изолированно; распознает ее правильно, если ей соответствует единственный прообраз, а если таких прообразов несколько, то автоматически останавливает свой выбор на том из них, который имеет наибольшую частоту встречаемости в текстах. Приемлемость такой модели проверялась на английском, литовском, русском и таджикском языках, а также на искусственном языке эсперанто. Для всех языков эффективность безошибочного распознавания искаженного текста оказывалась приблизительно одинаковой, на уровне 97–98 %. При необходимости достижения более высоких показателей можно обратиться к расширенной модели, в которой мозг учитывает пары, а возможно, и тройки соседствующих буквенных совокупностей.
Модели сопровождения информационных систем предприятия по этапам жизненного цикла
Ю.М. Лисецкий
Стр. 455 — 460
В статье рассмотрено предприятие как сложная организационная система, для эффективного функционирования которой необходима современная информационная система управления, позволяющая осуществлять сбор, хранение и обработку информации для повышения степени обоснованности и своевременности принимаемых решений. Решение этой задачи возможно на основе комплексной автоматизации управления всеми производственными и технологическими процессами предприятия, а также необходимыми ресурсами. Показано, что формирование описания информационной системы предприятия осуществляется с помощью модели жизненного цикла, которая определяет порядок выполнения этапов разработки, а также критерии перехода от этапа к этапу. Под моделью жизненного цикла информационной системы понимается структура, определяющая последовательность выполнения и взаимосвязь процессов, действий и задач в течение жизненного цикла. Структура жизненного цикла информационной системы базируется на трех группах процессов: основных (приобретение, поставка, разработка, эксплуатация, сопровождение), вспомогательных (документирование, управление конфигурацией, обеспечение качества, верификация, аттестация, оценка, аудит, решение проблем) и организационных (создание инфраструктуры проекта, управление проектом, определение, оценка и улучшение самого жизненного цикла, обучение). Приведены наиболее распространенные модели жизненного цикла: каскадная (водопадная), модель итеративной и инкрементальной разработки (поэтапная модель с промежуточным контролем) и спиральная. Показано, что в процессе исследований и проектирования информационная система предприятия выступает пассивной категорией, процесс функционирования которой может быть описан моделями сопровождения по этапам жизненного цикла: моделью строения, моделью функционирования и моделью развития. Разработка этой тройки моделей является также дополнительным информационным фактором, позволяющим осуществлять структуризацию процесса создания и функционирования информационной системы предприятия.
Применение метода английского аукциона при планировании заданий с абсолютными приоритетами в распределенной вычислительной системе
А.В. Баранов, В.В. Молоканов, П.Н. Телегин, А.И. Тихомиров
Стр. 461 — 468
В статье рассматривается задача планирования заданий с абсолютными приоритетами в территориально распределенной вычислительной среде, для решения которой могут быть эффективно применены аукционные методы. В большинстве современных работ по этой тематике используется рыночная модель, в которой предметом аукционных торгов (товаром) выступают вычислительные ресурсы, а продавцами – их владельцы. Покупателями являются пользователи, участвующие в аукционе с целью приобретения вычислительных ресурсов для выполнения своих заданий. Продавцы стремятся получить максимальную прибыль, покупатели выполнить свои задания с наименьшими затратами. Подобная модель предполагает наличие у пользователей-покупателей определенных бюджетов в условных или реальных деньгах, при этом приоритет задания фактически определяется той ценой, которую пользователь готов заплатить за выполнение задания к определенному сроку на выставленных на торги вычислительных ресурсах. Исследуемая авторами модель территориально распределенной вычислительной среды отличается от известных тем, что приоритеты заданий являются абсолютными и назначаются по единым правилам. Главная цель – скорейшее выполнение высокоприоритетных заданий. В этом случае теряет смысл понятие бюджета пользователя, и классические аукционные модели перестают работать. Авторы предлагают новый подход, при котором предметом аукционных торгов становятся задания, а владельцы ресурсов выступают в роли покупателей, расплачивающихся за задания имеющимися в наличии свободными вычислительными ресурсами. При таком подходе авторы рассматривают английский аукцион как наиболее предпочтительный метод планирования в территориально распределенной вычислительной среде заданий с абсолютными приоритетами. Главной характеристикой алгоритма планирования, основанного на методе английского аукциона, становится длительность проведения торгов (продолжительность аукциона). В статье приведены результаты экспериментов по определению оптимальной продолжительности английского аукциона по отношению к среднему времени обработки задания.
Выбор пакетного менеджера для многоверсионных приложений
В.А. Галатенко, М.Д. Дзабраев, К.А. Костюхин
Стр. 469 — 474
Все разработчики ПО рано или поздно сталкиваются с проблемой создания и распространения дистрибутивов их программных продуктов. При этом необходимо учитывать возможности по поддержке уже существующих изделий, то есть замене старых дистрибутивов новыми. Используя качественное средство для создания дистрибутивов, разработчики получают возможность распространять свои изделия на более широкий спектр инструментальных платформ, а также осуществлять необходимую и своевременную поддержку этих изделий. Авторы статьи ограничиваются рассмотрением UNIX-подобных систем, в большинстве которых в настоящий момент распространены такие средства создания дистрибутивов (пакетные менеджеры), как dpkg, yum. Эти пакетные менеджеры функционируют в соответствии со стандартной концепцией установки программ в UNIX. Стандартная концепция подразумевает, что программы будут устанавливаться в стандартные каталоги, такие как /usr/bin, /usr/local/bin и так далее. При обновлении программы (пакета) обычной практикой является замещение старых файлов новыми. Стратегия замещения такого рода может носить деструктивный характер. Имеется в виду ситуация, при которой после обновления ПО некоторые программы или библиотеки перестают работать. Не исключено, например, что после обновления может перестать работать и сам пакетный менеджер. Часто пользователь оказывается в ситуации, когда для поддержки совместимости ему необходимы старые версии ПО. В этом случае приходится прибегать к практике сборки программ и библиотек из исходных текстов и ручной установки, такой как make install. Установка такого рода является необратимой и очень опасной, поскольку в этом случае велика вероятность удаления или замещения файлов, находящихся под контролем пакетного менеджера. В качестве решения описанных проблем предлагается пакетный менеджер NIX [1]. Основным достоинством этого менеджера является то, что полностью исключается деструктивное воздействие с его стороны. Это достигается путем установки каждого пакета в изолированную локацию, при этом всю ответственность за область видимости того, что было установлено, берет на себя пакетный менеджер.
Температурная модель распределения потенциала в неравномерно легированных нанотранзисторах со структурой кремний на изоляторе
Н.В. Масальский
Стр. 475 — 481
Обсуждается разработка 2D-аналитической температурной модели распределения потенциала в рабочей области двухзатворного тонкопленочного полевого нанотранзистора со структурой кремний на изоляторе с вертикальной неравномерно легированной рабочей областью в виде функции Гаусса. Двухзатворные полевые транзисторы со структурой кремний на изоляторе являются ведущими представителями элементной базы нового научного направления – высокотемпературная микроэлектроника, потому что это идеальные высокотемпературные устройства. Для случая стационарной температуры в параболическом приближении с использованием специальной функции получено аналитическое решение 2D-уравнения Пуассона. Численно исследованы температурные зависимости распределения поверхностного потенциала от параметров профиля легирования в диапазоне температур от 200 до 500 К. Для выбранных топологических норм варьирование параметров профиля легирования предоставляет дополнительную возможность управления ключевыми характеристиками нанотранзистора наряду с толщиной рабочей области и подзатворного окисла фронтального затвора, что важно при анализе применимости нанотранзисторных структур. Показано, что структуры с крутыми профилями легирования являются более термостойкими по сравнению с однородно легированными. Для повышения верхней границы температурного диапазона на 100 К необходимо увеличивать уровень легирования рабочей области на порядок. Применение перспективной транзисторной архитектуры для двухзатворных полевых нанотранзисторов со структурой кремний на изоляторе позволяет повысить термическую стойкость их ключевых электрофизических характеристик по сравнению с двухзатворными полевыми транзисторами с однородно легированной рабочей областью и с их объемными аналогами. Результаты моделирования находятся в хорошем соответствии с данными моделирования, полученными при помощи коммерчески доступного для 2D-моделирования транзисторных структур программного пакета ATLASTM.
Использование метода математического моделирования для оценки влияния смачиваемости пород на нефтеотдачу на примере внутрипластового горения
И.В. Афанаскин, А.В. Королев, В.А. Юдин
Стр. 482 — 494
В статье рассмотрена значимость одной из проблем корректного численного моделирования тепловых методов добычи нефти – изменение смачиваемости пород при нагреве. При тепловых воздействиях температура пласта может на 100–500 ºС превосходить начальную, и за счет создания такого искусственного поля температур смачиваемость пласта изменяется как в пространстве, так и во времени. Это может кардинально изменить характер фильтрации флюидов и результативность теплового воздействия. Для изучения температурного изменения смачиваемости необходимы достаточно сложные эксперименты, осуществляемые с учетом температурного изменения большого числа влияющих на смачиваемость процессов. До постановки таких сложных работ необходимо оценить значимость этого фактора для прогноза добычи при использовании тепловых методов разработки. Влияние температурного изменения смачиваемости учитывали через изменение характерных точек на кривых относительных фазовых проницаемостей. Авторами была рассмотрена задача многофазной многокомпонентной неизотермической фильтрации с химическими реакциями, в которой учитывается зависимость относительных фазовых проницаемостей от температуры. Для решения возникающей системы уравнений предложена оригинальная, неявная по давлению и явная по температуре и концентрациям конечно-разностная схема. Показано, что при моделировании внутрипластового горения пренебрежение изменениями смачиваемости, которые обусловлены созданием в пласте поля температур, переменного по пространству и времени, может приводить к значительным погрешностям в прогнозе накопленной добычи нефти (до 20 % относ.) и времени прорыва кислорода к добывающей скважине (до 10 % относ.). Для учета этого эффекта необходимо экспериментальное изучение изменений смачиваемости (и относительных фазовых проницаемостей) при повышении температуры породы.
Развитие алгоритма спонтанного структурирования цифровых изображений природных комплексов
Э.Я. Островский, С.В. Румянцев, В.А. Фадеев
Стр. 495 — 499
Рассматривается совершенствование алгоритма спонтанного формирования непротиворечивой структуры на объектах цифровой матрицы с данными наблюдения параметров (магнитных, гравиметрических, радиоактивных и др.) исследуемого природного комплекса. Приводится постановка задачи, рассматривается технология спонтанного структурирования, альтернативная традиционным технологиям, которая, выявляя стабильные свойства-признаки, создает непротиворечивую уникальную (единственно возможную) структуру. Рассматривается алгоритм как последовательность ключевых этапов, составляющих основу технологии спонтанного формирования непротиворечивой структуры. Дается краткий обзор применения технологии. Авторы подчеркивают роль человека как эксперта в использовании технологии спонтанного формирования непротиворечивой структуры. В заключении перечисляются возможные приложения технологии. Таким образом, дано развитие технологии (концепция, алгоритм, ПО) формирования непротиворечивой структуры в виде совокупности непересекающихся устойчивых многомерных однородностей – ассоциаций по смежности. Последние – области адекватной экстраполяции (прогнозирования) для образующих их объектов.
Интерпретация межскважинных исследований карбонатных коллекторов методом двух режимов с помощью численных моделей
И.В. Афанаскин, С.Г. Вольпин, О.В. Ломакина, Ю.М. Штейнберг
Стр. 500 — 506
Рассматривается метод двух режимов, используемый в числе прочих для исследования скважин при неустановившемся течении. Благодаря своему развитию в последние годы он позволяет определять тот же набор параметров, что и распространенный метод восстановления давления. Установлено, что при этом изучаются десятки метров вокруг скважины, редко – более глубокие зоны. Этот метод не требует остановки добывающих скважин, таким образом, потери в добыче нефти в результате проведения исследований уменьшаются. Недостатком метода является меньшая точность определения параметров. Показано, что при существенной разнице дебитов между двумя режимами и достаточной длительности второго режима работы возмущающей скважины метод двух режимов можно рассматривать как альтернативу гидропрослушиванию. Тогда можно исследовать и межскважинную зону – сотни метров. В работе рассмотрена математическая модель двойной пористости для интерпретации гидродинамических исследований межскважинного пространства трещиновато-пористых карбонатных коллекторов. Эту модель можно использовать для интерпретации межскважинных исследований методом двух режимов. Приведена оригинальная конечно-разностная схема типа «классики» для такой модели. Описано решение обратной задачи подземной гидродинамики методом Ньютона. На примере синтетической кривой забойного давления проиллюстрировано использование предлагаемого подхода и даны рекомендации по его применению. Рассмотрено несколько вариантов интерпретации для различных наборов уточняемых параметров пласта. Подтверждено, что относительная емкость трещин и параметр перетока матрица–трещины мало влияют на показания давления в реагирующей скважине в дальнейшем. Рекомендуется в качестве определяемых параметров выбирать проницаемость трещин, пористость матрицы и анизотропию проницаемости трещин по площади.
Подходы к идентификации сетевых потоков и организации маршрутов трафика в виртуальном центре обработки данных на базе нейронной сети
И.П. Болодурина, Д.И. Парфенов
Стр. 507 — 513
Ежегодно растет трафик, циркулирующий в сетях передачи данных, и на сегодняшний день его основу составляет трафик Big Data. Целью данного исследования является разработка новых методов маршрутизации трафика в наложенных сетях виртуальных центров обработки данных. Эффективное построение маршрутов в современных компьютерных сетях, обрабатывающих большие потоки данных, является одним из важнейших показателей работы центров обработки данных. Для решения данной задачи авторами разработан ансамбль моделей, описывающий подход к построению адаптивных маршрутов в наложенных сетях виртуального центра обработки данных. Новизна предлагаемого решения заключается в разработке гибридного подхода, позволяющего на основе методов интеллектуального анализа данных осуществлять управление маршрутизацией в сети виртуального центра обработки данных с учетом данных о состоянии сетевых узлов, наложенных каналов связи и требований QoS, предъявляемых потоками трафика. Предложенная в работе модель идентификации маршрутов позволяет решать такие задачи, как определение порядка использования цепочек наложенных каналов связи в сети виртуального центра обработки данных и установление правил для обеспечения качества обслуживания для критически важного трафика. На базе построенных моделей реализовано программно-алгоритмическое решение, представляющее собой модуль для контроллера программно-конфигурируемой сети. Описанный в данной статье алгоритм позволяет получать наборы квазиоптимальных и оптимальных правил маршрутизации за полиномиальное время. Эффективность предложенного решения доказана путем экспериментального исследования с использованием реальной сетевой инфраструктуры виртуального центра обработки данных. Сопоставление результатов экспериментального исследования, проводившегося с использованием известных алгоритмов маршрутизации, показало не только сокращение времени отклика в сети, но и снижение нагрузки на сетевые узлы, обрабатывающие трафик.
Алгоритмическое обеспечение обработки данных процесса структурирования эластомерного композита с целью решения задачи управления
А.С. Кузнецов, В.Ф. Корнюшко
Стр. 514 — 520
Структурирование является важнейшим этапом переработки многокомпонентного эластомерного материала в готовый продукт – изделие с заданным на этапе рецептуростроения комплексом эксплуатационных свойств. Оно представляет собой сочетание двух процессов – химического взаимодействия различных компонентов, входящих в его состав, а также технологического процесса закрепления требуемых свойств и функций будущего изделия. Для успешного протекания данной финальной технологической процедуры необходим строгий контроль за соблюдением заданной последовательности всех технологических стадий и подготовительных операций, в процессе которых получается полуфабрикат – промежуточный продукт. Повышению качества готового продукта в значительной степени способствует применение методов экспресс-контроля на основе виброреометрии для оценки характеристик исходного сырья, а также параметров полуфабриката и готовой продукции. В работе рассматриваются химико-технологические процессы смешения и структурирования многокомпонентных эластомерных композитов как составляющие химико-технологической системы. Предложено алгоритмическое обеспечение обработки данных виброреометрии с целью повышения эффективности управления сложными химико-технологическими процессами смешения и структурирования многокомпонентных эластомерных композитов. Построена процессная модель управления структурированием эластомерных композиционных систем. Выделены четыре группы процессов, отвечающих за показатели качества структурирования. Построены блок-схемы алгоритмов управления сложными химико-технологическими процессами смешения и структурирования эластомерных систем. Приведены приемы обработки основной реометрической информации с использованием современных программных продуктов. Показаны приемы визуализации реометрических данных в программах Table curve 2d и Table curve 3d. Построены пространственные изображения в виде поверхностей отклика для основных рецептурно-технологических факторов и показателей качества процесса, приведен алгоритм расчета коэффициентов математических моделей. Построен набор диаграмм состав–свойство, наглядно характеризующих влияние изменения уровней рецептурно-технологических факторов на кинетику процесса структурирования. Показано, что визуализация реометрических данных с применением современных программных продуктов предоставляет возможности для более гибкого и адаптивного управления процессом структурирования многокомпонентных эластомерных композитов.
Повышение точности расчета систем автоматического управления с запаздыванием
В.З. Тхан, Ю.Н. Дементьев, В.И. Гончаров
Стр. 521 — 526
В статье рассматриваются вопросы точности задач синтеза систем автоматического управления объектами с запаздыванием. Они охватывают традиционный подход на основе аппроксимации передаточной функции звена запаздывания его дробно-рациональным выражением, а также оригинальный путь, позволяющий сохранить точное описание звена запаздывания при решении задач синтеза регуляторов систем автоматического управления. В работе выбран последний вариант, который базируется на привлечении частного случая преобразования Лапласа, обеспечивающего переход к описанию динамических систем в форме функций-изображений, имеющих вещественную переменную. Этот численный метод дает возможность получать дискретные модели динамических систем, сочетая преимущества численных методов и цифровых вычислительных средств. На основе численного метода рассмотрены три актуальные задачи синтеза и исследования систем указанного класса. Первая из них связана с аппроксимацией звена запаздывания. Представлен сравнительный анализ подходов, базирующихся на отрезках ряда Тейлора, дроби Паде и численного метода. Выявлены преимущества последнего: более высокая точность и, главное, возможность перераспределения погрешности приближения в области малых/больших значений времени. В рамках второй задачи показана возможность формирования и решения уравнения синтеза систем автоматического управления без аппроксимации звена запаздывания, обеспечивая достижение потенциально возможной точности синтеза. Третья задача раскрывает возможности численного метода в оценивании точности синтеза систем автоматического управления и сравнения нескольких вариантов. Предложен вариант оценивания, не требующий аппроксимации звена запаздывания. Результаты проиллюстрированы примерами расчетов.
Облачная платформа IACPaaS для разработки оболочек интеллектуальных сервисов: состояние и перспективы развития
В.В. Грибова, А.С. Клещев, М. Москаленко, В.А. Тимченко, Л.А. Федорищев, Е.А. Шалфеева
Стр. 527 — 536
В работе описаны основные характеристики и функциональные возможности платформы облачных вычислений IACPaaS, которая поддерживает три модели предоставления облачных сервисов – PaaS, SaaS и DaaS. Платформа предназначена для разработки специализированных (то есть ориентированных на определенные предметные области и/или классы решаемых задач) оболочек интеллектуальных сервисов, а также прикладных интеллектуальных сервисов с использованием таких оболочек, которые при этом предоставляются и как облачные сервисы платформы. Создание (сопровождение) прикладных сервисов с помощью оболочки сводится к формированию (модификации) базы знаний с использованием предоставляемых этой оболочкой средств формирования баз знаний и связыванию ее с решателем задач. Решатель задач состоит из набора агентов – программных компонентов, взаимодействующих друг с другом посредством обмена сообщениями. В специализированных оболочках при представлении знаний используется специфичное для предметной области концептуальное представление, определяемое онтологией той области, для которой создается оболочка. Такая проблемно-ориентированная модель (язык) представления знаний используется средством формирования баз знаний для генерации ориентированного на экспертов предметной области пользовательского интерфейса. В результате эксперты могут формировать и сопровождать базы знаний и данных в привычной для себя системе понятий (без посредников в лице инженеров-когнитологов или дополнительного обучения), не совершая ошибок в использовании языка представления знаний. Платформа IACPaaS предоставляет базовую (универсальную) и множество специализированных технологий разработки оболочек прикладных интеллектуальных сервисов с использованием инструментальных средств поддержки этих технологий. Также предоставляется технология взаимодействия агентов решателей задач с внешним (не входящим в состав платформы IACPaaS) программным обеспечением. Она основана на стандартном механизме обработки http-запросов и возможности запуска исполняемых файлов внешнего программного обеспечения из программ (скриптов), расположенных на web-сервере.
Повышение скорости логического вывода продукционных экспертных систем путем использования аспектно-ориентированного подхода
А.А. Гончаров, Н.А. Семенов
Стр. 537 — 542
Каждая экспертная система базируется на модели представления знаний. К наиболее общим моделям относятся продукционная модель, семантические сети и фреймы. Наиболее распространено применение продукционной модели. В статье рассматривается актуальный недостаток продукционных систем, связанный с низкой эффективностью процесса логического вывода, по сравнению с другими моделями представления знаний. Описан предлагаемый способ повышения эффективности процесса логического вывода в продукционных системах, основанный на использовании аспектно-ориентированного подхода. Аспектно-ориентированный подход позволяет выявлять пересекающиеся функциональные элементы и обеспечивать их консолидацию в ходе создания архитектуры и реализации системы. Впервые представленный в 1997 году, данный подход популярен и в настоящее время. В качестве примера приводится набор из продукционных правил экспертной системы выбора требований, предъявляемых к заданному уровню контроля в соответствии с требованиями руководящих документов. В данном наборе продукционных правил фактами являются значения уровней контроля, а в виде действий представлены требования, предъявляемые к выбранному уровню контроля. Предложенный аспектно-ориентированный подход к организации продукционных систем позволил повысить скорость логического вывода в экспертных системах. Сокращение количества операций при поиске решения и избавление от перебора фактов и действий стало возможным благодаря выделению в аспекты пересекающихся фактов и действий из набора продукционных правил.
Нейросетевой метод обнаружения вредоносных программ на платформе Android
Т.М. Татарникова, А.М. Журавлев
Стр. 543 — 547
Непрерывный рост числа вредоносных программ, нацеленных на операционную систему Android, делает актуальной задачу их обнаружения. Отсутствие централизованного механизма распространения приложений и недостаточная эффективность существующих решений усугубляют проблему. Экспериментально показана недостаточная эффективность существующих механизмов обнаружения вредоносных программ операционной системы Android. Необходимость автоматизированного решения, позволяющего повысить вероятность обнаружения вредоносных программ операционной системы Android, в том числе ранее неизвестных, модифицированных и обфусцированных версий уже известных программ, определила цель исследования. В работе применялись методы классификации нейронных сетей, статического анализа кода и анализа поведения программы в виртуальной среде. Новизна предлагаемого решения состоит в использовании классификационных признаков, полученных как статическим анализом кода, так и анализом поведения программы на виртуальном устройстве. Предложенный подход устраняет недостатки существующих решений рассматриваемой проблемы. Экспериментально доказана способность предложенного решения обнаруживать вредоносные программы, не использовавшиеся в обучении нейронной сети, а также обфусцированные экземпляры. Практическая значимость предлагаемого решения заключается в его применении для построения систем обнаружения вредоносных программ операционной системы Android, которую можно использовать в магазине приложений Android.
Автоматизированная система защиты доступности информации от атак внешним несанкционированным трафиком в UNIX-подобных системах
Е.В. Пальчевский, А.Р. Халиков
Стр. 548 — 556
Данная статья посвящена разработке программного модуля для защиты доступности информации при массивных DoS- и DDoS-атаках. Разработанная система позволяет в автоматизированном режиме определять тип и вид атак внешним несанкционированным трафиком, а также отфильтровывать сетевые пакеты по заданному лимиту (от 10 тысяч до 7 миллионов в секунду) с последующим распределением нагрузки по физическим и логическим ядрам кластера. На первом этапе разработки были проанализированы направленности DoS- и DDoS-атак, а также рассмотрены аналогичные решения системы защиты от DDoS-атак. Второй этап представляет собой техническую разработку автоматизированной системы защиты доступности информации AntiDDoS: показаны основной функционал и схема работы системы защиты от DDoS-атак. Основной функционал представлен следующими техническими данными: название функции, цель выполнения, условие работы и результат выполнения. Третьим этапом является апробация реализованной системы в течение десяти дней, результаты которой представлены в виде таблицы со среднесуточной нагрузкой на ресурсы ЭВМ. Созданная система защиты доступности информации позволяет эффективно отфильтровывать сетевые пакеты в автоматизированном режиме, а также отправлять все данные в СУБД MySQL с последующим выводом информации в веб-интерфейс. Веб-часть является одной из управляющих частей разработанной системы. В ней реализована возможность управления системой с персональных компьютеров/серверов и мобильных устройств. Разработанная автоматизированная система защиты доступности информации от атак внешним несанкционированным трафиком AntiDDoS показала высокую стабильность и надежность при фильтрации сетевых пакетов в больших и малых объемах. Средняя загруженность центрального процессора при DDoS-атаках принимает значение 6,64 %, тогда как без использования данной системы нагрузка при DDoS-атаке может повышаться до 100 %. Пониженная нагрузка является приемлемой и позволяет одновременно запускать сложные вычислительные операции без нарушения работоспособности системы.
Эффективность поэтапного применения средств защиты с пересечением областей обнаружения угроз
В.С. Коломойцев, В.А. Богатырев
Стр. 557 — 564
В работе исследованы возможности повышения эффективности схемы безопасного доступа «Прямое соединение» на основе выбора вариантов ее построения с учетом поэтапного применения различных средств защиты информации и их объединения в систему кластерной архитектуры, направленного на консолидацию ограниченных ресурсов защиты. Консолидация ресурсов защиты проводится с целью достижения максимальной защищенности при минимальных задержках и стоимости системы. Предложены критерии эффективности систем защиты информации, ориентированные на повышение вероятности обнаружения угроз за минимальное время, с учетом его возможной ограниченности. Данные критерии учитывают среднее время пребывания запросов и вероятности обнаружения и устранения угроз системой защиты информации. Время обслуживания на каждом этапе предполагается распределенным по показательному закону. Предложены модели оценки вероятности обнаружения угроз и задержек их поиска в зависимости от последовательности применения средств защиты информации в узлах. Модели учитывают пересекаемость множеств угроз, обнаруживаемых различными средствами защиты информации. Показана возможность реализации адаптивной стратегии последовательного применения средств защиты информации для предотвращения угроз информационной безопасности в зависимости от изменяемой интенсивности поступающих запросов. Рассмотрены варианты комплектации узлов полным или частичным набором имеющихся программных или аппаратно-программных средств защиты информации.
Алгоритм оценки значения остаточных рисков угроз информационной безопасности с учетом разделения механизмов защиты на типы
Д.А. Дерендяев, Ю.А. Гатчин, В.А. Безруков
Стр. 565 — 568
На основе анализа современных подходов к оценке риска реализации угроз информационной безопасности можно сделать вывод, что большинство из них не рассматривают разделение механизмов защиты на типы, которое позволило бы более качественно проанализировать существующую систему защиты на предприятии. Представленный алгоритм учитывает такое разделение и рассматривает каждый тип с упором на его особенности. Ввиду отсутствия четкого разграничения механизмов защиты предложено разделить их на две группы: технические и организационные. Для расчета остаточного риска учитываются дополнительные переменные, такие как вероятность корректной работы механизма защиты и вероятность преодоления механизма при реализации угрозы. Для технических механизмов защиты необходимо учитывать вероятность перехода в неработоспособное состояние с течением времени. Рассматривая организационные меры, стоит принять во внимание истечение ее срока действия или изменение в связи с меняющимися условиями. Ввиду случайного характера таких процессов для определения их вероятностей используются математические аппараты скрытой марковской модели и случайных марковских процессов. Итоговый показатель остаточного риска определяется с помощью альтернативной математической модели, полученной на основе полного факторного эксперимента и позволяющей получить более корректные значения, рассматривая входные параметры на верхнем и нижнем уровнях. В результате реализации алгоритма определяются значения остаточных рисков с учетом противодействия угрозе каждого из типов защитных мер, что дает возможность более четко определять недостатки системы защиты.
Разработка и программная реализация гибридного алгоритма решения оптимизационных задач автоматизированного проектирования
Л.А. Гладков, Лейба, В.Б. Тарасов
Стр. 569 — 580
В статье рассмотрен гибридный алгоритм решения сложных оптимизационных задач проектирования на примере решения задач размещения и трассировки элементов схем цифровой электронно-вычислительной аппаратуры. Приведена постановка задачи, выбраны ограничения области допустимых решений и сформулирован критерий оценки качества получаемых решений. Предложен новый гибридный подход к решению рассматриваемой задачи на основе сочетания эволюционных методов поиска, математического аппарата нечеткой логики и возможностей параллельной организации вычислительного процесса, а также модифицированный оператор миграции для обмена информацией между популяциями решений в процессе выполнения параллельных вычислений. Разработана структура параллельного гибридного алгоритма. Показана реализация модуля нечеткого управления на основе использования многослойной нейронной сети и функции Гаусса. Отмечены основные отличия предложенной структуры нейронной сети от традиционных нейронных сетей. Сформулированы основные принципы работы блока нечеткого управления. Подробно рассмотрены особенности программной реализации предложенного гибридного алгоритма. Сформулированы требования к архитектуре разрабатываемой программы с учетом необходимости поддержки свойств модульности и расширяемости приложения. Приведены примеры описания элемента печатной платы на основе существующих спецификаций. Описана структура интерфейса, представлены основные элементы графического интерфейса разработанного приложения. Для оценки качества получаемых решений и процесса поиска решений в целом предложено использовать параметры, характеризующие динамику изменения среднего и лучшего значений целевой функции, а также разнообразие популяции. Дано краткое описание проведенных вычислительных экспериментов, подтвердивших эффективность предложенного метода. Показаны зависимости вероятности выполнения генетических операторов от значений управляющих параметров.
Система моделирования поведения групп робототехнических агентов с элементами социальной организации Кворум
В.Э. Карпов, М.А. Ровбо, Е.Е. Овсянникова
Стр. 581 — 590
В работе описана архитектура среды многоагентного моделирования Кворум, разработанной для реализации конструктивных решений и алгоритмов индивидуального поведения агентов-роботов, а также для моделирования поведения больших групп роботов. Основной задачей системы является инструментальное обеспечение исследований в области применения методов социальной организации в групповой робототехнике. Кворум – это прототип системы имитационного и агентного моделирования, которая должна адекватно абстрагировать сложность физической системы, обеспечивая удобные интерфейсы и библиотечные модули для моделирования групп мобильных роботов и отдельных внутренних структур агента. Она была построена как модульная, легко расширяемая система, ориентированная на моделирование систем с большим количеством агентов за счет упрощения физических и других эффектов, а также благодаря способности выполнять моделирование с использованием параллельных вычислений. Показано, что предлагаемый метод моделирования подобных систем применим к широкому спектру задач из области групповой робототехники с элементами социальной структуры (а также роевой и групповой робототехники в целом). Некоторые особенности архитектуры и модели, используемые в Кворум, позволяют расширить ее в последующих итерациях для полной поддержки моделирования на параллельных вычислительных системах. Одной из важных особенностей Кворум является ориентация на управление реальными робототехническими системами. Для этого система обеспечивает использование одинаковых интерфейсов управления как для вычислительной модели, так и для реальных роботов. Система была апробирована на ряде характерных для групповой робототехники задач, особенно тех, которые используют механизмы социальной структуры, а также на группе лабораторных роботов разных типов, поддерживающих интерфейс системы моделирования Кворум.
Алгоритмическая неразрешимость проблемы первопорядковой определимости формул логики ветвящегося времени
М.Н. Рыбаков, Л.А. Чагрова
Стр. 591 — 597
В качестве формального средства, описывающего свойства различных структур (в том числе структур вычислений), обычно используют язык логики предикатов. Этот язык, с одной стороны, понятен и удобен, а с другой, многие вопросы, важные с прикладной точки зрения, для него алгоритмически неразрешимы, то есть не могут быть решены программно. Сейчас существует много альтернативных языков, позволяющих описывать вычисления и их свойства, при этом, в отличие от языка логики предикатов, аналогичные вопросы для них алгоритмически разрешимы. В работе рассматривается один из таких языков – язык логики ветвящегося времени CTL. Он используется для верификации программ, так как содержит средства для описания свойств программных вычислений, в частности, свойств бинарного отношения, возникающего в реляционной семантике Крипке. В работе исследуется возможность алгоритмического нахождения формул языка первого порядка, которые задают те же классы шкал Крипке, что и формулы языка логики CTL. Известно, что для интуицинистских формул проблема их первопорядковой определимости алгоритмически неразрешима. Показано, как, используя перевод Гёделя интуиционистских формул в модальные, а затем перевод получившихся модальных формул в формулы языка логики CTL, свести проблему первопорядковой определимости интуиционистских формул на шкалах Крипке к проблеме первопопорядковой определимости CTL-формул на шкалах Крипке. В качестве следствия такого сведения получена алгоритмическая неразрешимость соответствующей проблемы для CTL. В заключении обсуждаются возможные модификации приведенной конструкции с целью распространения полученного результата на фрагменты языка логики CTL, а также алгоритмическая разрешимость проблемы CTL- определимости формул первого порядка.
Модель группировки радиоэлектронных систем для оценки временных показателей надежности
С.В. Игнатьев, Ю.А. Плакса, А.В. Красников, А.В. Дрожжин
Стр. 598 — 604
Эффективное применение комплексов специального назначения, основу которых составляют радиоэлектронные системы, предполагает выбор оптимальных методов эксплуатации, организации и проведения технического обслуживания, войскового ремонта и снабжения комплексов запасными инструментами и принадлежностями с целью обеспечения высокой степени готовности этих комплексов к применению по предназначению. Для этого создана система технической эксплуатации, эффективность функционирования которой зависит от взаимного расположения радио-электронных систем на местности. Основные положения работы связаны с построением модели группировки радиоэлектронных систем, которая является основой для разработки инструментальной среды, с учетом пространственного расположения элементов группировки и временных соотношений между ними. Построение модели группировки выполняется в два этапа. Первый этапа заключается в построении модели транспортной сети местности, которая представляет собой совокупность графа и матрицы достижимости. Такое представление позволяет получить все возможные маршруты между элементами транспортной сети. На втором этапе осуществляется описание группировки радиоэлектронных систем путем выделения на графе транспортной сети вершин особого типа, в которых размещаются элементы группировки радиоэлектронных систем. Далее производится построение пространственно-временной модели группировки радиоэлектронных систем, представляющей собой совокупность графа и подматриц достижимостей, где каждому маршруту между элементами группировки ставится в соответствие временной показатель (время движения по маршруту). Пространственно-временная модель группировки, программно реализованная на языке С#, позволяет рассчитать временные показатели надежности с учетом влияния различных факторов и оценить степень их влияния на коэффициент готовности.
F-Ranking: компьютерная система для ранжирования нечетких чисел
А.В. Радаев, А.В. Коробов, Б.И. Яцало
Стр. 605 — 613
Во многих областях своей деятельности человек сталкивается с неопределенностями, одним из способов учета и анализа которых является использование нечетких множеств, нечеткой логики и нечетких чисел в частности. Использование нечетких чисел в рамках анализа решений неизбежно ведет к задачам их сравнения и ранжирования. Большинство существующих систем, использующих нечеткие числа, несмотря на разнообразие методов ранжирования, применяют в своей работе лишь методы дефаззификации. Однако замена нечеткого числа одним действительным числом (как и замена плотности распределения вероятностей соответствующим математическим ожиданием) неизбежно ведет к сужению и потере информации, содержащейся в исходном нечетком числе. В работе представлена оригинальная компьютерная система F-Ranking для ранжирования нечетких чисел различного типа: в качестве входных могут использоваться треугольные, трапециевидные и кусочно-линейные (в том числе кусочно-непрерывные сверху) нечеткие числа, а также синглтоны. В системе реализованы три метода ранжирования нечетких чисел, основанных на дефаззификации (методы центра тяжести, медианы и интеграла средних значений альфа-срезов), а также два метода ранжирования, основанные на оценке нечеткой приемлемости рангов (Fuzzy Rank Acceptability Analysis) с использованием двух (Юаня и интегрального) нечетких отношений предпочтения. Для последних двух методов доступны также нечеткая мера предпочтения одного нечеткого числа над другим и нечеткие индексы приемлемости рангов (Fuzzy Rank Acceptability Indexes). В статье дано краткое описание алгоритмов указанных методов. Проведен обзор существующих систем, которые в той или иной степени могут быть использованы для ранжирования нечетких чисел. Представлены структура системы F-Ranking, входные и выходные формы для рассматриваемых методов ранжирования. Приведены примеры ранжирования нечетких чисел с использованием реализованных методов, иллюстрирующие как отличительные особенности самих методов, так и возможности всей системы F-Ranking в целом.
Входной язык системы автоматизированного проектирования поковок типа валов
С.И. Канюков, А.В. Коновалов, О.Ю. Муйземнек
Стр. 614 — 619
В Институте машиноведения УрО РАН разработана система автоматизированного проектирования технологических процессов ковки валов на прессах. В состав лингвистического обеспечения системы включен специализированный входной язык, предназначенный для ввода исходной информации и оперативных корректировок пользователями промежуточных и окончательных результатов проектирования поковок. Ввод исходной информации может быть осуществлен в двух вариантах: ввод информации о новой детали, чтение и корректировка (при необходимости) информации о детали (или поковке), уже имеющейся в БД. Фрагмент входного языка системы, предназначенный для ввода информации о новой детали, предусматривает заполнение трех зон соответствующего меню, которые содержат общую информацию о детали, информацию о геометрии детали и задание на проектирование. Последнее включает перечень задач, которые необходимо решить в процессе автоматизированного проектирования поковки. Автоматизированное проектирование поковки предусматривает назначение припусков на термообработку и механическую обработку, добавление различных проб для проведения механических испытаний и макроконтроля, назначение кузнечных напусков, определение технических требований и заканчивается моделированием рабочего чертежа заготовки, состоящего из семи графических зон. Фрагмент входного языка, предназначенный для корректировки рабочего чертежа заготовки, позволяет выбрать формат чертежа А3 или А4, изменять размеры графических зон с масштабированием геометрических объектов и перемещением их в поле чертежа, корректировать числовые и текстовые значения параметров поковки внутри зон через выпадающие меню, управлять видимостью зон. Описанный в статье входной язык системы автоматизированного проектирования технологических процессов для автоматизированного проектирования поковок обеспечивает удобный ввод исходной информации о детали, гарантирует получение рабочих чертежей заготовок, пригодных для запуска в производственный процесс, и существенно облегчает адаптацию системы к условиям разных предприятий.
Система статистического анализа и контроля стабильности вибраций гидроагрегата
В.Н. Клячкин, Ю.Е. Кувайскова, А.В. Иванова
Стр. 620 — 625
Система вибромониторинга гидроагрегата включает показания распределенной сети интеллектуальных датчиков относительной и абсолютной вибраций, а также датчиков измерения скорости вращения вала. Эти датчики предназначены для работы в составе системы управления гидроагрегатом. Датчики объединяются в единую локальную сеть для передачи данных о параметрах вибраций в систему управления. В режиме работы в сети при условии стационарной работы агрегата для оценки стабильности вибраций могут быть использованы алгоритмы многомерного статистического контроля, аналогичные применяемым при контроле многопараметрических технологических процессов. Такой подход обеспечивает раннее выявление нарушений процесса статистическими методами и своевременное принятие управляющих воздействий. На основе проведенного исследования и анализа результатов вибромониторинга гидроагрегата на Краснополянской ГЭС разработана программная система, обеспечивающая контроль стабильности вибраций. Система включает три подсистемы: для визуализации и группировки показателей, для контроля независимых и коррелированных групп показателей по критериям стабильности среднего уровня и для рассеяния соответствующих процессов. Для контроля независимых показателей используются карты Шухарта для средних значений и стандартных отклонений. При контроле коррелированных показателей применяются карты Хотеллинга для мониторинга среднего уровня процесса и карта обобщенной дисперсии для мониторинга многомерного рассеяния. Система позволяет своевременно выявлять возможные нарушения и обеспечивает предотвращение выхода контролируемых показателей за пределы допустимых значений.
Моделирование нанопористых структур кремний-резорцинол-формальдегидных аэрогелей
И.В. Лебедев, А.Ю. Тыртышников, С.И. Иванов, Н.В. Меньшутина
Стр. 626 — 631
Данная работа посвящена исследованию и моделированию структуры кремний-резорцинол-формальдегидных аэрогелей. Были проведены экспериментальные исследования получения гибридных кремний-резорцинол-формальдегидных аэрогелей, в основе которых варьирование условий их получения (соотношение реагентов, количество рас- творителя и т.д.). В качестве структурных характеристик были выбраны следующие параметры: удельная площадь поверхности и распределение пор по размерам. Генерация структур, соответствующих реальным, открывает возможности для моделирования различных свойств аэрогелей in silico, что, в свою очередь, позволяет экономить ресурсы на проведении дорогостоящих экспериментов. В ходе выполнения работы изучены существующие методы генерации пористых структур кремний-резорцинол-формальдегидных аэрогелей. Для моделирования структур таких аэрогелей выбран метод Diffusion-Limited Cluster Aggregation (DLCA). Были проведены вычислительные эксперименты по генерации модельных структур и их сравнение с экспериментальными по выбранным критериям (распределение пор по размерам и удельная площадь поверхности). Результаты, полученные в процессе вычислительных экспериментов, показали хорошую сходимость между экспериментальными и моделируемыми структурами гибридных кремний-резорцинол-формальдегидных аэрогелей. Для реализации данного метода был разработан алгоритм, написанный на языке программирования C# в среде разработки Microsoft Visual Studio. Для функционирования созданного ПО необходимы операционная система Microsoft Windows 7 и выше и не менее 2 Гб ОЗУ. В статье приведены результаты вычислительных экспериментов и алгоритм генерации структур кремний-резорцинол-формальдегидных аэрогелей. Разработанное ПО позволяет получать реальные структуры кремний-резорцинол-формальдегидных аэрогелей с заданными структурными характеристиками.
Моделирование транспортных потоков в среде AnyLogic
Я.И. Шамлицкий, А.С. Охота, С.Н. Мироненко
Стр. 632 — 635
В статье предложена методика моделирования транспортных потоков в среде моделирования. Была поставлена цель смоделировать участок дорожной сети г. Красноярска, для достижения которой необходимо решить две задачи: собрать данные по интенсивности транспортного потока на участке и разработать имитационную модель перекрестка. Для их решения выбрана среда моделирования AnyLogic. При проведения эксперимента по моделированию необходимы входные параметры, в данной ситуации – интенсивность прибытия транспортных средств и распределение автомобилей по направлению. Разработанная имитационная модель состоит из элементов дорожной сети, системы генерации агентов модели, блоков логики движения транспортных средств, элементов управления параметрами модели, модуля сбора статистики параметров агентов. В режиме исполнения модели отображается анимация, представляющая собой двухмерный план моделируемой системы с движущимися по ней транспортными средствами. Также есть функционал для переключения между двухмерным и трехмерным планами системы. В статистических данных учитываются время прохождения автомобилем участка дорожной сети, а также общая пропускная способность перекрестка. Методика проведения эксперимента представляет собой предварительную настройку имитационной модели на среднюю пропускную способность перекрестка (обычно этот момент наступает после того, как количество автомобилей, вышедших из модели с помощью компонента Sink, достигнет значения 20 тыс. и более), далее, изменяя время работы светофоров, запускается поочередно имитационная модель. По окончании серии прогонов выполняется расчет разности средних задержек жесткого и адаптивного регулирования, строятся графики, делаются выводы. В результате получается имитационная модель с методикой проведения эксперимента, которая может быть полезна при определении максимальной пропускной способности транспортных пересечений, планировании дорожной инфраструктуры и т.д.
Программа расчета настроек регуляторов методом расширенных частотных характеристик
Б.И. Марголис, Г.А. Мансур
Стр. 636 — 639
В статье рассмотрена постановка задачи расчета настроек типовых общепромышленных регуляторов в системах автоматического управления технологическими объектами. Показана возможность применения критерия устойчивости Найквиста для расширенных частотных характеристик систем. Сформулирована задача обеспечения необходимого качества переходного процесса в замкнутой системе за счет обеспечения заданной степени колебательности. Получено условие заданной колебательности системы, обеспечивающее нахождение настроек регулятора на линии равного затухания. Рассмотрена расширенная частотная характеристика ПИД-регулятора для случая введения в нее составляющей в виде реального дифференцирующего звена. Получены формулы для нахождения настроек ПИД-регулятора с использованием расширенных частотных характеристик в виде параметрических зависимостей. Приведены соотношения, получающиеся из общих формул для ПИ- и ПД-регуляторов. На основе предложенного метода в среде MatLab разработана программа, позволяющая рассчитать оптимальные настройки регулятора по критерию минимального отклонения времени переходного процесса и перерегулирования от заданных значений. Приведены результаты расчета настроек ПИД-регулятора для контрольного примера и полученные линии равного затухания. Показаны наилучшие по критерию качества переходные процессы для каждой из линий равного затухания и оптимальный процесс, удовлетворяющий требуемым характеристикам качества. Показаны недостатки метода расширенных частотных характеристик в предложенной постановке. Рассмотрены возможности альтернативной постановки задачи синтеза настроек регуляторов и применение предложенных методов для нахождения настроек регуляторов в многоконтурных системах автоматического управления технологическими объектами.
Мультиагентное моделирование процессов распространения массовых эпидемий с использованием суперкомпьютеров
С.Ю. Лапшина
Стр. 640 — 644
В статье рассматривается возможность использования современных суперкомпьютеров при решении ресурсоемких задач мультиагентного моделирования процессов распространения массовых эпидемий на основе теории роста перколяционных кластеров. Мультиагентная перколяционная модель в задачах определения карантинных зон при распространении эпидемий предполагает формирование решетки взаимодействия представителей популяции, моделирование среды распространения заболевания, сбор информации о численности населения, реализацию параллельного алгоритма многократной маркировки перколяционных кластеров с механизмом линковки меток, визуализацию полученных результатов. Описываются усовершенствованный для применения на многопроцессорной системе вариант алгоритма многократной маркировки перколяционных кластеров Хошена–Копельмана, а также действующий прототип его реализации, разработанный в МСЦ РАН. Данный алгоритм может быть использован в любой области в качестве инструмента дифференцирования кластеров решетки большого размера, так как ему на вход подаются данные в не зависимом от приложения формате. Демонстрируется возможность выявления зависимостей латентных периодов распространения эпидемий от вероятности инфицирования агрегатов популяционных представителей и формирования пороговых значений перехода локальных эпидемий в крупномасштабные пандемии. Задав латентный период, вероятность инфицирования и очаг заражения, можно определить круг городов, где можно ожидать инфицирование. Эта информация используется для определения радиуса карантинной зоны. Если в некотором городе обнаружен очаг заболевания и латентный период уже закончился, то с помощью данного инструмента определяется зона, которую нужно изолировать от внешнего мира. В работе приводятся оценки времени выполнения алгоритма многократной маркировки перколяционных кластеров Хошена–Копельмана при различных значениях входных параметров на двух высокопроизводительных вычислительных системах, установленных в МСЦ РАН, – МВС-100К и МВС-10П.